Měřicí a senzorová technika

Předmět je určen pro studenty prvního ročníku magisterského studia katedry automatizační techniky a řízení na fakultě strojní. Student by měl mít po absolvování tohoto předmětu podrobnější znalosti o technických prostředcích využívaných v regulačních obvodech a monitorovacích, konfiguračních a řídicích systémech. Je to rozšíření znalostí studentů nabytých v předmětu „Automatizační technika“ v bakalářském studiu. Dalším rozšířením je nabytí znalostí o řídicích systémech, které lze použít pro regulační obvody distribuovaných řídicích systémů, vlastnosti a popis SCADA/MMI. Část předmětu je věnována zpracování el. signálů v regulačních obvodech.

Na cvičeních se studenti seznamují s technickými prostředky řídicích systémů od snímačů, senzorů, řídicích systémů až po akční členy a pohony. Měří se zde základní statické a dynamické vlastnosti jednotlivých prvků regulačních obvodů. Výstupem je 7 protokolů (6 měření, 1 semestrální projekt), které je nutno odevzdat do konce aktuálního semestru. V opačném případě je nutno předmět absolvovat znovu.

Zkouška obsahuje vstupní test, ve kterém je nutno získat 51%. Pak následuje ústní zkouška (3 ot. – základní osnova ke všem otázkám nutná).

Témata předmětu (přednášek)

Seznámení s problematikou a obsahem studovaného předmětu. Systémy řízení, měřicí obvod, statické vlastnosti členů měřicích obvodů. Statické vlastnosti – přesnost, citlivost, chyby měření.
Dynamické vlastnosti členů měřicích a řídicích obvodů, dynamické chyby. Snímače a senzory (struktura, vlastnosti, rozdělení). Inteligentní (smart) senzory.
Fyzikální principy snímačů – pasivní sním. (odporové, indukční, kapacitní, fotoelektrické, magnetické, atd.). Nové fyzikální principy senzorů.
Aktivní snímače – rozdělení, vlastnosti, příklady (termoel., fotoel., piezoel., …).
Pasivní obvodové prvky pro zpracování signálů (rezistor, kondenzátor, cívka, měření el. veličin v el. obvodech).
Polovodičové prvky pro zpracování signálů (dioda, tranzistor, tyristor, triak, …).
OZ- základní zapojení (sumátor, invertor, ….).
Vnitřní struktura a princip programování jednočipových počítačů (popis vnitřních modulů jednodeskových počítačů), nutné externí součástky pro funkčnost obvodu.
Instrukční sada a popis registrů jednočipového počítače, programovací rozhraní, tvorba a simulace aplikace ve vývojovém prostředí MPLAB.
Měření tepelných veličin, tepla a vlhkosti (principy, vlastnosti, kontaktní a bezkontaktní snímače, zapojení, provedení, příklady aplikace), měření mechanicko-silových statických a dynamických veličin (poloha, posunutí, rozměr, otáčky, rychlost, zrychlení, síla, chvění).
Měření tlaků, průtoků kapalina a plynů, výšky hladiny kapalin a sypkých materiálů, dávkování médií. Nové principy v senzorové technice (optické vláknové senzory, laserové měř. systémy).
Metodika návrhu měř. řetězce a měřicího systému (využití normy ČSN 180060, počítačová podpora návrhu, využití inteligentních senzorových sestav).
Měřicí systémy s počítači (technické, obvodové a programové řešení, příklady a realizace, …). Počítačově integrované systémy řízení – CAD/CAM, CAT, CAQ.
Časová rezerva

Přednášky poznámky:

CZ: P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7

Cvičení

Bezpečnost práce.
Nástroje pro zpracování naměřených dat z reálných úloh.
Předvedení praktických úloh (funkce, požadavky, …) .
Protokol č. 1 (Vyhodnocení a měření otáček pomocí optického snímače vzdálenosti).
Protokol č. 2 (MEMS akcelerometr).
Protokol č. 3 (Měření na operačních zesilovačích), (Operational Amplifiers – chap. 6).
Protokol č. 4 (Měření na RLC členech), RLC circuits – chap. 2
.Protokol č. 5 (Dvouhodnotová regulace s hradly).
Protokol č. 6 (Tenzometry).
Návrh měřicího řetězce, zadání semestrálního projektu.
Práce na projektu.
Práce na projektu.
Odevzdání a konzultace k protokolům.
Zápočet.

Studenti kombinovaného studia zpracují rešerši daného tématu, jako náhradu za další (4) praktická měření.

Snímače pro měření polohy.
Snímače pro měření rozměrů.
Snímače pro měření velkých posunutí.
Snímače pro měření malých posunutí.
Snímače pro měření otáček. (Zoltán)
Snímače pro měření úhlu natočení.
Snímače pro měření rychlosti.
Snímače pro měření zrychlení.
Snímače pro měření teploty.
Snímače pro měření síly.
Snímače pro měření chvění.
Snímače pro měření tlaku.
Snímače pro měření průtoků kapalin.
Snímače pro měření průtoků plynů.
Snímače pro měření výšky hladiny kapalin.
Snímače pro měření výšky hladiny sypkých materiálů.
MEMs. (Baršč)
Inteligentní senzory.

Rešerše bude rozsahu 5-10 stran v duchu technické zprávy. Formálně bude obsahovat (obsah, použité symboly a zkratky, závěr, použitou literaturu, na kterou budou v textu odkazy, princip snímače obrázek, způsoby vyhodnocení (matematický popis závislosti), nasazení, apod. )

Rozsah semestrální práce: od 8 – 12 stran.

Osnova semestrální práce:

Teoretický úvod.
Základní rozdělení (např. podle principu, …).
Principy jednotlivých snímačů (zařízení).
Praktické použití.
Závěr.
Seznam použité literatury, na kterou jsou v práci odkazy.

Po výběru témata je nutné kontaktovat vyučujícího z důvodu obsazenosti všech témat.

Otázky

Základní zapojení měřicího a regulačního obvodu, systém řízení (struktura, veličiny, značení, princip funkce, …).
Základní pojmy teorie systémů a jejich aplikace v systémech řízení (prvek, systém, vazba, dekompozice, rozlišovací úroveň, …).
Statická charakteristika a vlastnosti měřicího členu, jeho nelinearity, vyhodnocení dat, význam.
Linearizace statické charakteristiky (regresní přímka, korelační koeficient, grafická metoda linearizace, …).
Nejistoty měření (chyby měření – statické, dynamické, absolutní relativní, výsledné, třída přesnosti, hrubé chyby, eliminace chyb při měření, …).
Dynamické vlastnosti členů řídicích obvodů (způsob popisu, typy, … ).
Přechodová charakteristika senzoru a její identifikace (způsoby měření, parametry, příklady, …).
Kmitočtová charakteristika měřicího členu a její význam (měření, příklady, …).
Členy pro získání informace – rozdělení, struktura snímače, typické vlastnosti, příklady.
Jednoduché a vícenásobné měřicí členy (struktura, vlastnosti, mechanicko-deformační členy, kineticko-kinematické členy , příklady, …).
Pasivní a aktivní snímače – rozdělení, příklady.
Snímače odporové – principy, rozdělení, způsoby vyhodnocení, zapojení.
Snímače indukční a indukčnostní – principy, rozdělení, způsoby vyhodnocení, zapojení.
Snímače fotoelektrické – principy, rozdělení, způsoby vyhodnocení, zapojení.
Snímače termoelektrické – principy, rozdělení, způsoby vyhodnocení, zapojení.
Kapacitní snímače – principy, rozdělení, způsoby vyhodnocení, zapojení.
Polovodičové prvky pro zpracování signálů a ovládání, … .
Základní zapojení OZ.
Pasivní obvodové prvky.
Meziobvodová komunikace I2C, SPI.
Počítačová podpora při zpracování experimentálních měření (obecné uživatelské a speciální aplikační programy, příklady).
Jednočipové počítače řady PIC (vnitřní uspořádání, příkazy, příklad aplikace).
Inteligentní senzory (vnitřní struktura, funkce, komunikační rozhraní, …).
LabView (popis prostředí, vlastnosti, postup realizace aplikace, …).